一种用于冻融循环剪切试验的剪切仪及试验方法

1.本发明涉及试验装置及其试验方法技术领域，具体涉及一种用于冻融循环剪切试验的剪切仪及试验方法。


背景技术：

2.我国作为世界第三冻土大国，冻土分布广泛，且多处于地震区，导致相应的地基土力学性质极为复杂。尤其是季节冻土区，表层土体随着气温降低而冻结，在土体内部形成稳定且清晰的冻融交界面。通常，冻土动剪切模量和阻尼比分别是融土的30~50倍和2倍，在循环荷载作用下冻土具有非线性、滞后性和应变累计性等特性。因此，在冻融界面处土体的应变不连续，力学性质呈阶跃型突变。在地震作用下冻融界面处还会发生塑性滑移，造成更严重的破坏，抗剪强度是土的重要力学性质之一，建筑物的地基、路基承载力和各类边坡的稳定性都是由土的抗剪强度控制（参见赵明华，俞晓，王贻荪.土力学与基础工程[m].武汉：武汉理工大学出版社，2014:99.）。而利用剪切仪进行剪切试验是目前测试土的抗剪强度较为完善的手段，该试验一般采用圆柱状试样，将试样放入剪切盒内，电动控制剪切速率，进而测定内摩擦角和黏聚力，运用库伦理论得到抗剪强度（见李莹，杨在喜.土体抗剪强度试验方法探讨[j].才智，2012(36):29.）。但是，目前市面上土体抗剪强度测试仪器主要是针对非冻土设计的，这些仪器的特点为操作简单，技术成熟，但只能测试融土的抗剪强度，无法测试冻融界面的抗剪强度且不能实时记录水平力和水平位移的动态变化，加之野外实际冻融界面的形成过程较为复杂且受温度影响较大等特点。目前这样的剪切试验由于土样尺寸小、试验装置功能有限，不能对内部温度变化进行实时监测和测定。
[0003]
因此，为了能准确的获取冻融界面的抗剪强度，内部温度变化的实时监测和更加真实模拟实际冻融界面的形成过程。设计一整套合理有效的冻融循环剪切试验仪装置和试验方法是非常有必要的，对寒区工程建设的科研和实践工作具有重大意义。


技术实现要素：

[0004]
针对上述问题，为更加真实地模拟冻融界面和准确测定其抗剪强度，实现冻融循环剪切过程中温度的有效控制及试验过程中各土层温度、应力、应变的实时测定，本发明旨在提供一种用于冻融循环剪切试验的剪切仪装置及试验方法，可以同时监测冻融循环剪切过程中各土层温度的变化、应力和剪切位移的变化及测定，可用于模拟寒区环境中地基土的温度变化，测试寒区公路或铁路地基土冻融循环剪切过程中的应力、应变、温度等动态变化量并通过内置传感器与外部数据采集仪、计算机的连接，实现冻融循环剪切过程中温度、应力、应变等的自动化实时监控及采集。
[0005]
为实现本发明的目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于冻融循环剪切试验的剪切仪，包括剪切仪主体、制冷系统和数据采集系统；
所述剪切仪主体包括压力杆、保温层、上剪切盒、下剪切盒、透水板、上透水石、水平推力杆、剪切传动机构、滚轴、底板、下透水石和托板，所述下剪切盒安装于托板的顶部，所述滚轴安装于托板的底部，所述水平推力杆安装于托板的一侧，所述剪切传动机构安装于水平推力杆的底部，所述剪切传动机构和滚轴均安装于底板的顶部，所述底板的顶部安装有凸台，所述上剪切盒安装于下剪切盒的顶部，所述上透水石安装于上剪切盒内，所述下透水石安装于下剪切盒内，所述透水板安装于下剪切盒内，且透水板位于下透水石的顶部，所述保温层包裹于上剪切盒和下剪切盒的外部，所述压力杆安装于上透水石的顶部；所述制冷系统由第一冷液进液管、第一冷液出液管、第二冷液进液管、第二冷液出液管和外部冷浴设备构成，所述第一冷液进液管和第一冷液出液管均安装于上透水石上，所述第二冷液进液管和第二冷液出液管均安装于下剪切盒上；所述数据采集系统由压力传感器、测力计、水平位移计、温度传感器、温度传感器引线、土样模型、反力装置、数据采集设备和计算机组成，所述压力传感器安装于压力杆上，所述土样模型安装于剪切仪主体内，所述温度传感器安装于土样模型内，所述测力计和温度传感器引线均安装于反力装置的水平杆上，所述温度传感器引线的一端与温度传感器连接，且温度传感器引线的另一端通过传感器引线孔引出并与数据采集设备连接，数据采集设备与计算机信号连接。
[0006]
本发明进一步设置为：所述保温层包裹于上剪切盒和下剪切盒的外部。
[0007]
本发明进一步设置为：所述保温层采用厚度为20mm的保温材料制成。
[0008]
本发明进一步设置为：所述第一冷液进液管、第一冷液出液管、第二冷液进液管、第二冷液出液管均与外部冷浴设备连通。
[0009]
本发明进一步设置为：所述温度传感器引线引出上剪切盒和下剪切盒后，采用保温材料密封传感器引线孔。
[0010]
本发明进一步设置为：所述反力装置安装于凸台的顶部。
[0011]
本发明还提供了一种用于冻融循环剪切试验的实验方法，包括以下步骤：（1）根据试验方案在上剪切盒和下剪切盒组成的实验剪切盒内放入制备好的土样模型，同时将温度传感器布设在测试点位处，并用保温材料包裹上剪切盒和下剪切盒，在实验剪切盒周围形成保温层；（2）将温度传感器通过温度传感器引线连接后通过实验剪切盒的传感器引线孔引出连接数据采集设备；（3）将压力杆垂直连接于上透水石正中心，将压力传感器安装在压力杆上，将水平位移计和测力计安装在反力装置的水平杆上；（4）将第一冷液进液管、第一冷液出液管、第二冷液进液管、第二冷液出液管与外部冷浴设备相连接，接通电源；（5）试验开始后开启外部冷浴设备冷浴，冷冻液分别通过第一冷液进液管和第二冷液进液管进入，循环一周后通过第一冷液出液管和第二冷液出液管返回外部冷浴设备，对土样进行剪切试验。
[0012]
本发明进一步设置为：在步骤（5）中，在剪切试验过程中，数据采集设备进行数据采集，其采集间隔为每10min一次，并将采集数据通过计算机分析。
[0013]
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：（1）本发明通过实验剪切盒与外部冷浴设备的连接，实现剪切盒内部环境温度的有效控制，达到模拟寒区地基土冻融环境的目的。
[0014]
（2）本发明在实验剪切盒内部内置温度传感器，可监测试样模型不同部位的温度变化。
[0015]
（3）本发明内部内置测力计和水平位移计，可测试试样模型剪切试验时内部的水平力及水平位移的变化，进而实现应力应变的实时监测。
[0016]
（4）本发明实验剪切仪盒体外部设置了20mm保温材料，可有效隔绝剪切仪内外热量的交换，进而达到提高降温效果的目的。
[0017]
（5）本发明所提供的剪切仪在使用时，具有工作稳定、易于操作、数据测定准确等的优点。
附图说明
[0018]
图1为本发明剪切仪的侧视结构示意图；图2为本发明剪切仪的俯视结构示意图；图3为本发明剪切仪的立面图；图4为本发明实施例3中实测土样冻融循环温度变化曲线图；图5为本发明实施例3中实测土样抗剪强度与垂直压力关系曲线图。
[0019]
图中标号说明：1、压力传感器；2、压力杆；3、第一冷液进液管；4、第一冷液出液管；5、保温层；6、测力计；7、上剪切盒；8、下剪切盒；9、透水板；10、水平位移计；11、上透水石；12、温度传感器；13、第二冷液进液管；14、第二冷液出液管；15、水平推力杆；16、剪切传动机构；17、滚轴；18、底板；19、下透水石；20、温度传感器引线；21、土样模型；22、反力装置；23、托板。
具体实施方式
[0020]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]
为了实现本发明的效果，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0022]
实施例1：参照图1-3所示，一种用于冻融循环剪切试验的剪切仪，包括剪切仪主体、制冷系统和数据采集系统；剪切仪主体包括压力杆2、保温层5、上剪切盒7、下剪切盒8、透水板9、上透水石11、水平推力杆15、剪切传动机构16、滚轴17、底板18、下透水石19和托板23，下剪切盒8安装于托板23的顶部，滚轴17安装于托板23的底部，水平推力杆15安装于托板23的一侧，剪切传动机构16安装于水平推力杆15的底部，剪切传动机构16和滚轴17均安装于底板18的顶部，底板18的顶部安装有凸台，上剪切盒7安装于下剪切盒8的顶部，上透水石11安装于上剪切盒7内，下透水石19安装于下剪切盒8内，透水板9安装于下剪切盒8内，且透水板9位于下透水石19的顶部，保温层5包裹于上剪切盒7和下剪切盒8的外部，压力杆2安装于上
透水石11的顶部；制冷系统由第一冷液进液管3、第一冷液出液管4、第二冷液进液管13、第二冷液出液管14和外部冷浴设备构成，第一冷液进液管3和第一冷液出液管均安装于上透水石11上，第二冷液进液管13和第二冷液出液管14均安装于下剪切盒8上；数据采集系统由压力传感器1、测力计6、水平位移计10、温度传感器12、温度传感器引线20、土样模型21、反力装置22、数据采集设备和计算机组成，压力传感器1安装于压力杆2上，土样模型21安装于剪切仪主体内，温度传感器12安装于土样模型21内，测力计6和温度传感器引线20均安装于反力装置22的水平杆上，温度传感器引线20的一端与温度传感器12连接，且温度传感器引线20的另一端通过传感器引线孔引出并与数据采集设备连接，数据采集设备与计算机信号连接。
[0023]
在本实施例中，设置的托板23起到对于上剪切盒7和下剪切盒8形成的实验剪切盒的支撑作用，通过剪切仪主体与外部制冷设备的连接，实现实验剪切盒内部环境温度的智能控制，通过埋设于土样内部的温度传感器12及安装于压力杆2顶部的压力传感器1、测力计6及水平位移计10，实现土样冻融循环及剪切过程中动态反应值（如应力、应变、温度等）的自动化采集，本发明能够用于寒区公路或铁路冻土、融土交界面的冻融循环剪切试验，可模拟冻土冻融交界面的形成过程，具有成本低和相似度高的优点，可显著提高土体冻融循环剪切试验的效率。
[0024]
在本发明中，保温层5包裹于上剪切盒7和下剪切盒8的外部。
[0025]
在本实施例中，通过设置的保温层5能够实现良好的保温隔热效果。
[0026]
在本发明中，保温层5采用厚度为20mm的保温材料制成。
[0027]
在本实施例中，采用的保温材料可以根据使用需求进行选择，在此不再赘。
[0028]
在本发明中，第一冷液进液管3、第一冷液出液管4、第二冷液进液管13、第二冷液出液管14均与外部冷浴设备连通。
[0029]
在本实施例中，冷冻液分别通过第一冷液进液管3和第二冷液进液管13进入，循环一周后通过第一冷液出液管4和第二冷液出液管14返回外部冷浴设备。
[0030]
在本发明中，温度传感器引线20引出上剪切盒7和下剪切盒8后，采用保温材料密封传感器引线孔。
[0031]
在本实施例中，通过保温材料密封传感器引线孔，能够避免热量散失，以提高本实验的精度性。
[0032]
在本发明中，反力装置22安装于凸台的顶部。
[0033]
在本实施例中，设置的凸台能够为反力装置22提供支撑。
[0034]
实施例2：在实施例1的基础上，本发明还提供了一种用于冻融循环剪切试验的实验方法，包括以下步骤：（1）根据试验方案在上剪切盒7和下剪切盒8组成的实验剪切盒内放入制备好的土样模型21，同时将温度传感器12布设在测试点位处，并用保温材料包裹上剪切盒7和下剪切盒8，在实验剪切盒周围形成保温层5；（2）将温度传感器12通过温度传感器引线20连接后通过实验剪切盒的传感器引线孔引出连接数据采集设备；（3）将压力杆2垂直连接于上透水石11正中心，将压力传感器1安装在压力杆2上，
将水平位移计10和测力计6安装在反力装置22的水平杆上；（4）将第一冷液进液管3、第一冷液出液管4、第二冷液进液管13、第二冷液出液管14与外部冷浴设备相连接，接通电源；（5）试验开始后开启外部冷浴设备冷浴，冷冻液分别通过第一冷液进液管3和第二冷液进液管13进入，循环一周后通过第一冷液出液管4和第二冷液出液管14返回外部冷浴设备，对土样进行剪切试验。
[0035]
进一步的，在剪切试验过程中，数据采集设备进行数据采集，其采集间隔为每10min一次，并将采集数据通过计算机分析。
[0036]
实施例3：为了对本发明进行更好的测试说明，利用本发明对尺寸为200mm
×
200mm（直径
×
高）的土样进行冻融循环剪切试验。试验土样选取兰州黄土，粒径d≤2mm，初始含水量为16%。
[0037]
采用实施例2中的方法对实验土样进行剪切实验，试验主要对土样的温度、水平位移、水平力、竖向压力等要素进行测试。
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图4给出了土样进行两次冻融循环温度随时间变化曲线，从图4可以看出：温度变化曲线呈规律性变化，当降温后让温度保持一定的稳定过程，然后再进行回温。温度是土体热量分布和传递的直接依据，这一曲线体现了试验过程中冻融循环过程中温度变化特征。
[0039]
图5反映了抗剪强度与垂直压力的关系，也即土样在进行冻融循环后的抗剪强度与垂直压力关系曲线。根据直剪试验原理即不同垂直压力下，测出最大水平剪力，以垂直压力为横坐标，以最大水平剪力为纵坐标画出一条直线，垂直压力根据基本公式为：τf=c tanφ，得到土样抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ。
[0040]
以上试验结果表明该试验装置能够保证冻融循环过程的实现及冻融过程中温度变化的实时测定，并且能够简单、准确地实时测定试样冻融循环后的剪应力、剪切位移、垂直压力等要素，进而准确的获得抗剪强度与垂直压力的关系曲线，从而获得试样的抗剪强度指标。